ANALISIS HUBUNG SINGKAT 3 FASA PADA SISTEM DISTRIBUSI STANDAR IEEE 18 BUS DENGAN ADANYA PEMASANGAN DISTRIBUTED GENERATION (DG)

Transkripsi

1 ANALISIS HUBUNG SINGKAT 3 FASA PADA SISTEM DISTRIBUSI STANDAR IEEE 18 BUS DENGAN ADANYA PEMASANGAN DISTRIBUTED GENERATION (DG) Agus Supardi 1, Tulus Wahyu Wibowo 2, Supriyadi 3 1,2,3 Jurusan Teknik Elektro, Fakultas Teknik, Universitas Muhammadiyah Surakarta Jl. A. Yani Tromol Pos 1 Pabelan Kartasura Telp agsums@gmail.com Abstrak Pembangkit listrik skala kecil tersebar (Distributed Generation, DG) menjadi suatu pilihan baru dalam penyediaan tenaga listrik. Pembangkit ini tidak hanya ekonomis tetapi keberadaannya di dekat pelanggan listrik juga menurunkan biaya transmisi dan distribusinya. Berkaitan dengan arus hubung singkat, salah satu faktor yang berpengaruh adalah impedansi sumber dan impedansi saluran. Dengan adanya pemasangan DG di dekat pelanggan listrik, maka juga akan berpengaruh terhadap impedansi total sistem sehingga akan berpengaruh terhadap arus hubung singkatnya. Dalam penelitian ini akan dilakukan analisis arus hubung singkat 3 fasa pada sistem distribusi standard IEEE 18 bus dengan adanya pemasangan DG. Penelitian dimulai dengan membuat model sistem distribusi dan DG dengan menggunakan ETAP Power Station. Data-data sistem yang diperlukan kemudian dimasukkan ke dalam model tersebut. Setelah modelnya lengkap kemudian dilakukan simulasi aliran daya untuk mengetahui apakah model yang dibuat sudah sempurna atau belum. Jika modelnya belum sempurna, maka dilakukan perbaikan model lagi. Setelah itu dilakukan simulasi hubung singkat 3 fasa dengan terlebih dulu menetapkan lokasi hubung singkatnya. Setelah itu simulasi dilakukan dengan memvariasi lokasi hubung singkat dan lokasi pemasangan DG-nya. Hasil simulasi arus hubung singkat 3 fasa diamati dan data-datanya kemudian dianalisis. Hasil simulasi menunjukkan bahwa dengan adanya DG dalam sistem distribusi maka arus hubung singkat 3 fasanya akan naik. Jumlah dan lokasi pemasangan DG juga berpengaruh terhadap magnitude arus hubung singkat 3 fasanya. Kata kunci : distributed generation (DG); hubung singkat 3 fasa; sistem distribusi Pendahuluan Kehidupan masyarakat modern saat ini dari tahun ke tahun sangat bergantung pada energi listrik. Hal itu disebabkan tenaga listrik bersifat fleksibel, artinya energi dalam bentuk listrik lebih mudah dikonversikan menjadi energi lainnya. Energi listrik dapat dipakai untuk penerangan, penggerak mekanis di industri, rangkaian elektronika, dan lain-lain. DG mulai banyak diaplikasikan dalam sistem tenaga listrik seiring meningkatnya permintaan energi listrik. DG dapat digunakan untuk menghilangkan biaya-biaya transmisi dan distribusi yang tidak perlu (slootweg, 2002). Pemasangan DG di beberapa lokasi dapat menjaga kestabilan tegangan dan memperbaiki profil tegangan sistem distribusi (Waseem, 2008). Menurut Raj et all (2008) pemasangan DG pada sistem distribusi standar IEEE 30 bus dapat mengurangi rugi-rugi transmisi dan distribusi serta memperbaiki profil tegangan. Biasanya DG menggunakan generator yang berkapasitas lebih kecil bila dibandingkan dengan stasiun pembangkitan terpusat. DG akan mendistribusikan daya listrik di dekat beban sehingga tidak memerlukan pembangunan saluran transmisi yang baru. Kapasitas DG biasanya kurang dari 10 MW. Sumber energi untuk pembangkitan skala kecil (DG) antara lain dapat diperoleh dari sel surya, energi angin, pembangkit listrik tenaga mikrohidro, pembangkit listrik tenaga panas bumi, dan pembangkit listrik tenaga biomassa. Fenomena hubung singkat dalam sistem tenaga listrik merupakan fenomena yang menarik bagi banyak peneliti. Erezzaghi and Crossley (2003) memaparkan pengaruh impedansi gangguan hubung singkat terhadap operasi peralatan proteksi dengan menggunakan bantuan PSCAD. Heine and Lehton (2003) memaparkan pengaruh gangguan hubung singkat terhadap profil tegangan pada berbagai lokasi di saluran distribusi. Suatu model matematis dari sistem dibuat dan voltage sag pada berbagai tingkat gangguan diamati. Kondisi jaringan tegangan rendah pada saat terjadi gangguan terjadi di beberapa lokasi di jaringan tegangan tinggi juga diamati. Celli and Pilo (2001) memaparkan pengaruh DG terhadap sistem tenaga. Dengan menggunakan algoritma genetik, dibuat suatu software yang dapat menentukan alokasi pembangkitan optimal dengan memperhatikan kekangan teknis, seperti kapasitas saluran, profil tegangan dan arus hubung singkat 3 fase pada saluran tenaga. E-83

2 Berkaitan dengan arus hubung singkat, salah satu faktor yang berpengaruh adalah impedansi sumber dan impedansi saluran. Impedansi saluran ditentukan oleh panjang saluran, sedangkan arus hubung singkat ditentukan oleh impedansi hubung singkatnya. Dengan adanya pemasangan DG di dekat beban, maka juga akan berpengaruh terhadap impedansi total sistem sehingga juga akan berpengaruh terhadap arus hubung singkatnya. Dalam penelitian ini akan dilakukan analisis arus hubung singkat pada sistem distribusi standard IEEE 18 bus dengan adanya pemasangan DG. Metodologi Penelitian Bahan utama penelitian ini adalah sistem distribusi standard IEEE 18 bus seperti yang digunakan oleh Grady et al (1992) dengan diagram garis tunggal seperti gambar 1. Jalannya penelitian diuraikan sebagai berikut: 1. Penelitian dimulai dengan membuat model sistem distribusi dan DG dengan menggunakan ETAP Power Station 2. Data-data sistem yang diperlukan dimasukkan ke dalam model tersebut. 3. Setelah modelnya lengkap dilakukan simulasi aliran daya untuk mengetahui apakah model yang dibuat sudah sempurna. Jika belum sempurna, maka dilakukan perbaikan model lagi. 4. Simulasi hubung singkat 3 fasa dijalankan dengan terlebih dulu menetapkan lokasi gangguannya 5. Hasil simulasi arus hubung singkatnya dicatat dan data-data hasil simulasi tersebut kemudian dianalisis 6. Simulasi dilakukan dengan memvariasi lokasi gangguan, lokasi pemasangan DG dan jumlah DG yang terpasang Gambar 1 menunjukkan sistem distribusi standard IEEE 18 bus. 16 bus terletak pada sistem distribusi 12,5 kv dan 2 bus (50 dan 51) terletak pada sisi 138 kv dari trafo gardu induk yang disuplai dari sebuah swing bus. Sistem distribusinya bertipe radial dengan 2 penyulang utama. Penyulang pertama terdiri dari 8 bus (bus no.1 8) dan penyulang kedua terdiri dari 7 bus (bus no ). Pada sistem distribusi 12,5 kv terpasang kapasitor di 9 busnya. Sistem ini sama dengan yang digunakan oleh Grady et al (1992). DG yang dipakai dalam simulasi ini adalah turbin mikro 480 V, 250 kw seperti yang digunakan oleh Kirawanich et al (2004). Tabel 1 Data beban Bus Beban Aktif ( kw ) Reaktif ( kvar) Gambar 1 Diagram garis tunggal sistem distribusi standard IEEE 18 bus Tabel 2 Impedansi saluran distribusi Dari Bus Ke Bus Resistansi (Ohm) Reaktansi (Ohm) Tabel 3 Data Kapasitor yang terpasang Daya Nama Bus Reaktif ( kvar ) C C C C C C C C C C E-84

3 0.72 ka Simposium Nasional RAPI XI FT UMS 2012 ISSN : Bus8 Load kva CB kv Bus10 T2 10 MVA CAP5 Cable8 Load26 Bus7 Bus6 Cable7 Load kva Cable6 Load14 CAP3 Bus5 Cable5 Bus4 Bus3 Load kva CAP4 CAP2 Cable4 Load kva CAP kvar Cable3 Load11 Bus2 Bus1 Cable2 Load10 Bus20 Cable18 T1 400 MVA Bus9 Bus50 CB3 Cable9 CB2 Load kv Cable1 Bus51 U1 400 MVAsc Load24 CB kvar 250 kw Distributed Generator CAP9 900 kvar Load kva Load kva Bus21 Cable10 Cable12 CAP6 CAP kvar Bus22 Bus26 Load23 Cable15 Bus25 Load kva Bus23 Cable14 Bus24 Cable13 Cable11 Load kva Load19 Load kva CAP kvar Gambar 2 Model sistem distribusi standard IEEE 18 bus dalam ETAP U1 Bus8 Bus7 Bus6 Bus5 Bus4 Bus3 Bus2 Bus kv T1 Bus kv T kv kv kv kv kv 0.02 kv Bus kv 1.5 Bus20 Distributed Generator Bus21 Bus22 Bus26 Bus23 Bus25 Bus24 Gambar 3 Hasil simulasi hubung singkat 3 fasa yang terjadi pada bus 1 dengan adanya 1 DG di bus 8 E-85

4 Hasil Dan Pembahasan Program analisis hubung singkat dalam ETAP dapat menganalisis hubung singkat 3 fase, hubung singkat saluran ke tanah, hubung singkat saluran ke saluran, dan hubung singkat saluran ganda ke tanah pada sistem distribusi. Program akan menghitung arus hubung singkat berdasarkan kontribusi dari motor, generator dan sistem utility. Analisis hubung singkat yang dilakukan pada penelitian ini adalah gangguan hubung singkat tiga fasa. Arus hubung singkat pada bus yang terganggu dihitung setelah 30 siklus (kondisi steady state). Semua mesin listrik direpresentasikan dengan impedansi internalnya. Kapasitansi saluran dan beban statis diabaikan. Sadapan transformator dapat diset pada posisi normal atau pada posisi sadapan untuk memperbaiki impedansi transformator dan tegangan sistem. Dianggap bahwa hubung singkat tidak menimbulkan percikan api sehingga resistansi busur apinya tidak diperhitungkan. Impedansi sistem dianggap seimbang dan metode komponen simetris digunakan untuk perhitungan gangguan tak seimbang. Dalam penelitian ini digunakan standar ANSI/IEEE untuk menghitung arus hubung singkat, dimana sumber tegangan ekuivalen pada lokasi ganguan, yang sama dengan tegangan sebelum terjadi gangguan, menggantikan semua sumber tegangan eksternal dan sumber tegangan internal mesin. Besarnya impedansi saluran antar bus pada sistem distribusi standar IEEE 18 bus berbeda-beda nilainya. Impedansi totalnya akan semakin besar bila jaraknya semakin jauh dari power grid. Adanya gangguan hubung singkat 3 fasa pada salah satu bus akan mengakibatkan terjadinya perubahan aliran daya. Arus yang semula mengalir menuju masing-masing bus, berubah arah dan magnitudenya menuju ke bus yang terganggu. Pada saat terjadi gangguan hubung singkat tiga fasa, maka juga diikuti dengan perubahan tegangan sistem. Pada saat sistem tanpa DG, arus hubung singkat tiga fasa yang terjadi hanya merupakan kontribusi dari power grid saja. Magnitude arus hubung singkatnya ditentukan oleh impedansi total antara power grid dengan lokasi gangguan. Impedansi ini meliputi impedansi urutan positif dari power grid, transformator gardu induk, dan saluran. Gambar 4 menunjukkan variasi arus hubung singkat tiga fasa pada saat sistem distribusi tidak dihubungkan dengan DG. Variasi nilai tersebut tergantung dari lokasi gangguan. Pada penyulang pertama (bus 8 bus 1), arus hubung singkat tiga fasa yang paling kecil dihasilkan oleh gangguan yang terjadi pada bus no 8 (bus yang terjauh dari power grid), sedangkan arus hubung singkat yang paling besar dihasilkan oleh gangguan yang terjadi pada bus no 1 (bus yang terdekat dengan power grid). Pada penyulang kedua (bus 20 26), arus hubung singkat tiga fasa yang paling kecil dihasilkan oleh gangguan yang terjadi pada bus no 26 (bus yang terjauh dari power grid), sedangkan arus hubung singkat tiga fasa yang paling besar dihasilkan oleh gangguan yang terjadi pada bus no 20 (bus yang terdekat dengan power grid). Hasil ini sesuai dengan teori perhitungan arus hubung singkat tiga fasa yang menyatakan bahwa arus hubung singkat ditentukan oleh impedansi sistem. Semakin jauh bus tersebut dari power grid, maka impedansi salurannya akan semakin besar. Semakin besar impedansi salurannya maka arus hubung singkat tiga fasanya akan semakin kecil, begitu juga sebaliknya. Pemasangan sebuah DG pada sistem distribusi akan mengakibatkan perubahan impedansi urutan positif dari sistem sehingga akan berpengaruh terhadap arus hubung singkat tiga fasa. Magnitude arus hubung singkat ditentukan oleh impedansi antara power grid sampai lokasi gangguan, impedansi antara DG sampai lokasi gangguan, dan impedansi transformator gardu induk. Tabel 4 menunjukkan pemasangan sebuah DG pada suatu bus dalam sistem distribusi mengakibatkan kenaikan magnitude arus hubung singkat 3 fasa. Hal ini disebabkan karena dengan terpasangnya DG maka jumlah sumber listriknya menjadi bertambah sehingga aliran daya listriknya juga menjadi berubah. Beban yang semula disuplai dari power grid, dengan adanya DG maka beban tersebut akan disuplai dari DG tersebut. Dampak selanjutnya adalah terjadinya penurunan impedansi saluran. Sesuai dengan Hukum Ohm, semakin kecil impedansi maka arusnya akan semakin besar. Gambar 4 Arus hubung singkat tiga fasa saat 1 buah DG dihubungkan pada bus 8 E-86

5 Tabel 4 Arus hubung singkat tiga fasa yang terjadi pada saat 1 buah DG dipasang pada bus tertentu Lokasi Arus hubung singkat tiga fasa (A) dengan adanya 1 buah DG di Gangguan Bus 8 bus 7 bus 6 bus 5 bus 4 Bus 3 bus 2 bus 1 Bus Bus Bus Bus Bus Bus Bus Bus Bus Bus Bus Bus Bus Gambar 5 Arus hubung singkat tiga fasa yang terjadi pada saat 1 buah DG dipasang pada bus tertentu Tabel 4 dan gambar 5 menunjukkan pengaruh variasi lokasi pemasangan DG terhadap arus hubung singkat tiga fasa. Variasi lokasi pemasangan sebuah DG di penyulang pertama mengakibatkan perubahan magnitude arus hubung singkat. Semakin dekat lokasi pemasangan DG dengan lokasi gangguan maka arus hubung singkatnya akan semakin besar, walaupun perubahannya tidak terlalu besar. Hal ini disebabkan semakin dekat dengan DG, maka impedansi salurannya akan semakin kecil sehingga kontribusi DG terhadap arus hubung singkat juga akan semakin besar. Secara keseluruhan terlihat bahwa kontribusi DG terhadap arus hubung singkat pada penyulang pertama adalah lebih besar daripada penyulang kedua. Hal ini dapat dilihat dari variasi arus hubung singkat yang lebih besar pada penyulang pertama daripada variasi arus hubung singkat pada penyulang kedua. Kondisi ini menunjukkan bahwa pemasangan DG di penyulang pertama tidak terlalu berpengaruh pada penyulang kedua. Sebagian besar arus hubung singkat yang terjadi pada penyulang kedua adalah kontribusi dari power grid. Tabel 4 dan gambar 5 juga menunjukkan bahwa ketika DG dipasang lokasi yang tetap tetapi lokasi gangguannya berubah, maka juga akan mengakibatkan perubahan arus hubung singkat tiga fasa. Pada penyulang pertama (bus 8 bus 1), arus hubung singkat terkecil dihasilkan oleh ganguan yang terjadi pada bus 8 dan arus hubung singkat terbesar dihasilkan oleh gangguan yang terjadi pada bus 1. Semakin mendekati power grid, maka arus hubung singkatnya akan semakin membesar. Kondisi yang sama juga terjadi pada penyulang kedua. Arus hubung singkat terkecil dihasilkan oleh gangguan yang terjadi pada bus 26 dan arus hubung singkat terbesar dihasilkan oleh gangguan yang terjadi pada bus 20. E-87

6 Tabel 5 Arus hubung singkat tiga fasa yang terjadi pada saat beberapa DG dihubungkan pada bus 8 Lokasi gangguan Arus hubung singkat tiga fasa (A) dengan adanya DG pada bus 8 sebanyak Bus Bus Bus Bus Bus Bus Bus Bus E-88

7 Kirawanich, P., O Connell, R.M., and Brownfield, G., (2004), Microturbine harmonic impact study using ATP- EMTP, in th International Conf. on Harmonics and Quality of Power, pp Raj Vimal D Ajay P et all, (2008), Optimization of Distributed Generation Capacity for Line Loss Reduction and Voltage Profile Improvement Using PSO, Faculty of Electrical Engineering Universiti Teknologi Malaysia Waseem Irfan et all, (2008), Impacts of Distributed Generation on the Residential Distribution Network Operation, Virginia Polytechnic Institute and State University Willis, H. L. and Scott, W. G., (2000), Distributed Power Generation Planning and Evaluation, Marcel Dekker, Inc. E-89